Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Как получилось, что моторчик жизни, чихнув, впервые заработал где-то в богатых и разнообразных условиях Златовласки на молодой Земле? [61] Хорошее обсуждение условий Златовласки для химического разнообразия можно найти в следующей книге: Jeffrey Bennett, Seth Shostak . Life in the Universe, 3rd ed. Boston: Addison-Wesley, 2011, chapter 7.

Есть кое-что, чего не знал Дарвин: механизмы, подобные естественному отбору, когда случайные изменения отсеиваются местными правилами, в некотором приближении могут действовать и в мире, где жизни нет. Там, где есть сложная смесь химикатов и много свободной энергии, могут возникнуть молекулы, которые стимулируют образование других молекул и в итоге порождают то, с чего эта реакция началась. Это автокаталитический цикл – реакция, составляющие которой делают возможной, или катализируют, выработку других составляющих цикла, включая исходные ингредиенты, так что цикл может повторяться. Запустите его, и он будет производить собственные компоненты все в больших количествах, извлекая все больше пищевой энергии, пока не начнет лишать пищи другие, менее успешные реакции. Цикл даже может немного изменяться, если появляются новые типы питания. Это уже похоже на выживание наиболее успешного химического процесса. Таким образом, здесь мы получили что-то, немного напоминающее жизнь, что-то, что способно сохраняться и воспроизводиться, используя энергию из окружающего мира. «Прежде чем появятся существа, способные к самовоспроизведению, – пишет Дэниел Деннет, – должны появиться существа, способные к сохранению себя, – структуры, у которых хватит стабильности, чтобы пребывать в мире достаточно долго для появления их новых версий» [62] Daniel C. Dennett . From Bacteria to Bach: The Evolution of Minds. N. Y.: Penguin, 2017. P. 48. . С помощью этой идеи химической эволюции мы сможем хотя бы в общих чертах объяснить, как на молодой планете Земля появились предпосылки для возникновения жизни.

Для химической эволюции необходима среда, где возможны многочисленные химические эксперименты. А такое встречается крайне редко. В чем же состоят условия Златовласки для проведения химических опытов? И почему на молодой Земле они были так распространены?

Во-первых, наша Солнечная система находится в правильной части Млечного Пути. На дальних рубежах галактики звездам достаются скудные, химически обедненные облака вещества. По тем звездам, что расположены слишком близко к ее центральной «деловой зоне», постоянно бьют ударные волны, которые активно испускают черные дыры в ее ядре. Солнечная система – как раз там, где нужно. Ее орбита находится примерно в двух третях пути от центра галактики, в самой середине «жилой зоны» Млечного Пути.

Во-вторых, химия хорошо работает только при низких температурах. В ранней Вселенной было слишком жарко, чтобы атомы соединялись в молекулы. Слишком жарко и внутри звезд. Химическое богатство возможно лишь в узком диапазоне довольно низких температур, которые встречаются в пригодных для жизни зонах – рядом со звездами, но не слишком близко от них. Орбита Земли находится примерно посередине пригодной для жизни области возле Солнца. Венера и Марс обращаются, соответственно, на внутренней и внешней границах жилой зоны нашей системы. Впрочем, оказывается, бывает, что внутри спутника, находящегося дальше от звезды, например спутника Сатурна Энцелада, горит огонь, и здесь могут протекать благоприятные для жизни химические процессы. В 2017 году ученые обнаружили, что в океанах Энцелада вырабатывается водород, газ, который обеспечивал пищей некоторые из самых первых организмов на планете Земля [63] Science 356, no. 6334, April 14, 2017. P. 132. .

Третье условие Златовласки, необходимое для химического богатства, – это присутствие жидкостей. В газах атомы носятся, как гиперактивные дети, и сложно удержать их так, чтобы они могли сцепиться с другими атомами. В твердом веществе обратная проблема: здесь атомы застряли на одном месте. Жидкости же подобны танцевальным залам, а вода в жидкой форме с ее перешептыванием водородных связей – это лучшая бальная зала из всех возможных. Атомы могут курсировать, вальсировать, танцевать танго, и электрону несложно сменить партнера, если он заметит кого-то поинтереснее. Наличие жидкостей зависит от химических условий, температуры и давления. Вода в жидкой форме существует в узком диапазоне температур (бóльшая часть воды во Вселенной находится в форме льда). Но при этих же температурах встречаются газы и твердые вещества, поэтому возникают очень интересные химические возможности. Таким образом, следует ожидать, что в химическом плане самыми любопытными будут планеты, где средние температуры на поверхности находятся примерно между 0 и 100 °С, между точкой замерзания и кипения воды соответственно. Это бывает редко, но Земля расположена как раз на правильном расстоянии от Солнца, чтобы на ней была жидкая вода.

Четвертое условие Златовласки для химического богатства – это разнообразие элементов. Правильная температура совершенно бесполезна, если в вашем распоряжении нет ничего, кроме водорода и гелия. А сегодня даже в химически богатых областях галактик они по-прежнему составляют 98 % всего атомного вещества. Сложная химия возможна в тех редких средах, где чаще встречаются другие элементы периодической таблицы. В Солнечной системе такое разнообразие можно увидеть лишь на каменистых планетах около Солнца, потому что молодая звезда выпарила бóльшую часть водорода и гелия с внутренних орбит Солнечной системы и здесь остался концентрированный дистиллят из всех остальных элементов.

Когда молодая Земля застыла, из месива разнообразных химикатов получились глыбы каменных пород – это твердые вещества, состоящие из множества разных простых молекул, перемешанных между собой. Появились и первые земные минералы, вероятно, в форме простых кристаллов, таких как графит или алмазы [64] Robert M. Hazen . Evolution of Minerals // Scientific American, March 2010. P. 58. .

В такой химически богатой среде многие простые молекулы, из которых образуются живые организмы, могут возникнуть более-менее спонтанно. Речь идет о маленьких молекулах, содержащих менее ста атомов, включая аминокислоты, из которых сделаны все белки; нуклеотиды, из которых состоит весь генетический материал; углеводы или сахара, часто использующиеся как батарейки для хранения энергии; и жирные фосфолипиды, что образуют клеточные мембраны. Сегодня эти молекулы не появляются спонтанно, потому что их разорвал бы на части атмосферный кислород. На ранних же этапах свободного кислорода в атмосфере Земли практически не было, так что такие простые молекулы могли образоваться, получив небольшой импульс энергии активации.